1、基于USB的家電自動化設計 來源：電子系統設計 作者： 近年來，通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）的使用為家電自動化引入了一種更為簡單的實現途徑。本文介紹了建立在USB基礎之上的、創新的家電自動化應用，并以基于USB的照明控制為例，講解了基于USB的家電自動化的基礎知識。最后，本文比較了USB和其他用于家電自動化的主流無線技術（如ZigBee通信協議和Bluetooth無線通信協議等）的異同。  即插即用（Plug-n-play） 的簡單操作就是當家電插入PC上的USB端口，就會與PC交換USB家電參數，從而消除了對家電接口進行設置的

2、繁瑣工作。根據經由USB端口傳送至PC的家電描述符，自動把家電配置為“就緒”狀態。此外，在家電網絡上添加或刪除新家電，只要將它們簡單地插拔即可。隨著功能豐富的新型半導體器件的高速發展，同時其價格也隨之達到消費者可以承受的水平，我們正在見證一場家電行業中的自動化風暴。在這些技術進步中就包括了PC上USB的演化。現在，我們的日常生活中方方面面都會用到PC機。我們與周圍環境的互動，很大程度上是通過PC機進行控制的。此外，從PC的角度看，USB使外圍設備初始化方面發生了巨大的變化，不再需要用戶與PC機進行交互或關注PC機。USB協議非常智能，它能自動檢測并驅動多達127個連接在其總線上的設備。可以預見

3、，USB將能夠最終控制和驅動絕大部分家電。由于USB能實現家電自動化，它對于最終用戶是有用的，包括USB自動洗衣機、烘干機、咖啡機、安保系統以及家電控制臺，如圖1所示。不僅如此，對于家電制造商而言，在新產品測試方面，USB也非常有用。USB的演化發展，使得家電的即插即用成為現實，而這促使了操作系統供應商對標準USB驅動程序提供支持。比如說，Microsoft在其Windows操作系統（OS）的各版本中，提供了USB驅動程序支持，支持諸如人機接口設備（Human Interface Device，HID）、通信設備類（Communication Device Class，CDC）和大容量存儲設備

4、（Mass Storage Device，MSD）驅動程序。USB的另一項重要用途與預付費設施有關。比如說，自動洗衣店可以向客戶發行洗衣卡，洗衣卡可以通過USB端口進行讀取，從而通過USB總線對洗衣機進行控制。USB總線提供了充足的數據率，用于記錄設施數據和記錄家電用電量明細。對于具有USB總線的家電而言，這類大容量存儲USB特別適用于數據記錄與控制。USB還可以用在家電的安全使用上。例如，父母能夠通過USB端口對家電鎖定和解鎖，防止孩子自己開啟某些家電。這樣能讓人放心許多，在沒有監護人的情況下，孩子無法去操作有潛在危險的家電。USB總線架構USB是每條總線支持一個主機的一種主機控制架構。大部

5、分的PC上都有多個USB主機。設備能用集線器以菊花鏈方式連接到主機上。多個集線器能夠以菊花鏈方式連接起來，支持多達127個不同設備，每個菊花鏈段長度不能超過五英尺。這種菊花鏈式連接，形成了稱為層式星狀（Tiered Star）的拓撲結構,它與10-Base T以太網類似。與以太網拓撲結構相比，USB有一些優點，因為USB集線器能為連接在其上的設備供電，并在發生過流現象時關閉設備。USB集線器還能適當過濾主機和設備間的數據，實現低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設備的無縫集成。USB是即插即用型協議，能動態加載和卸載USB驅動程序。要加載USB驅動程序，必須有USB提供商標識符（VID）和

6、產品標識符（PID）。VID用來識別USB總線的制造商。通常，VID由名為“通用串行總線開發者論壇”（USB Implementers Forum，USB-IF，）組織分配，申請者需要支付注冊VID費用。與VID類似，PID是一個16位數字，PID標識的是產品，設備制造商提供PID號。不同于VID，對于PID來說，USB-IF對其沒有任何管理上的限制。USB的另一個重要特性是它支持不同類型的數據傳輸方式。例如，USB V2.0支持四種不同類型的數據傳輸：   控制傳輸方式。控制傳輸在設備插入時對其進行配置，并能用于其他的設備特定用途，諸如對設備上的其他

7、通道進行控制等。   批量傳輸方式。在數據的產生和使用量相對較大時采用批量傳輸方式。   中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時且可靠的數據傳送。例如，具有人類可感知反應或反饋響應特征的字符或坐標等。   同步傳輸方式。同步傳輸方式在預先約定的傳輸延遲時間占用預定的USB帶寬，同步傳輸也稱為“流實時傳輸”。A型USB連接器專用于數據下行傳輸，即數據從設備傳輸到主機，所以，A型連接器位于設備上。B型USB連接器專用于數據上行傳輸，即數據從USB主機傳輸到設備或從集線器傳輸到設備，B型連接器位于主機和集線器上，如圖2所示。有時為了使占用空間更小，

8、可以使用微型USB連接器。USB設備通過拉高D+或D-端線電平來指示其速度，最高為3.3伏。全速設備在D+端接一個上拉電阻表明它是全速設備，如圖3所示。 如果沒有上拉電阻，USB就假定總線上沒有連接任何東西。有些設備中，上拉電阻是內置的，能通過固件開啟和關閉。另一些設備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過固件進行速度控制會受到限制，并且要求另外對外部中繼服務進行實現與編碼。低速設備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設備，如圖4所示。最開始，高速設備被當作全速設備進行連接（D+1.5k至3.3V）。初始連接之后，設備在復位時將發出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設備經初始化進入高速模

9、式，上拉電阻就被禁用。USB數據流模式在設備可以與應用進行通信前，USB主機需要了解設備狀態并給它分配設備驅動程序，實現這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據USB V2.0規范的定義，設備將經歷以下設備狀態：  上電狀態（Powered）   缺省狀態（Default）   地址狀態（Address）   配置狀態（Configured）另外還有兩個USB設備狀態，“連接狀態”（Attached）和“掛起狀態”（Suspended）。枚舉過程的具體細節超出了本文的范圍；不過，在設備配置中使用的命令與結構是相關

10、的。描述符是讓USB主機能獲取設備信息的數據結構。在枚舉過程中，主機請求描述符，從最上層設備描述符開始，一直到最低層端點描述符，順序如圖5所示。枚舉過程下面概述一下USB設備的枚舉過程所包含的步驟，并講解設備在枚舉過程如何經歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個狀態。  用戶將一個USB設備插入USB端口，主機為端口供電，設備此時處于上電狀態。  主機檢測設備。  集線器使用中斷通道將事件報告給主機。  主機發送Get_Port_Status（讀端口狀態）請求，以獲取更多的設備信息。  集線器檢測設備是低速運行還是高速運行，并將此信息送給主機，這是

11、對Get_Port_Status請求的響應。  主機發送Set_Port_Feature（寫端口狀態）請求給集線器，要求它復位端口。  集線器對設備復位。  主機使用Chirp K信號來了解全速設備是否支持高速運行。  主機發送另一個Get_Port_Status請求，確定設備是否已經從復位狀態退出。  設備此時處于缺省狀態，且已準備好在零端點通過缺省通道響應主機控制傳輸。缺省地址為00h，設備能從總線獲取高達100mA的電流。  主機發送Get_Descriptor（讀設備描述符）報文，以便確定最大數據包大小。設備描述符的八個字節是

12、bMaxPacketSize。  通過發送Set_Address（寫地址）請求，主機分配地址，設備此時處于地址狀態。  主機發送Get_Descriptor報文，以獲取更多的設備信息。主機通過發送描述符響應設備請求，隨后發送全部的次級描述符。  主機分配并加載設備驅動程序。  通過發送Set_Configuration（寫配置）請求，主機的設備驅動程序選擇一個有效配置，設備此時處于配置狀態。  主機為復合設備接口分配驅動程序。  如果集線器檢測到有過流現象，或者主機要求集線器關閉電源，則USB總線切斷設備供電電源。在這種情況下，設備與

13、主機無法通信，但設備處于連接狀態。  如果在3毫秒內設備在總線上未見任何動作，則它將進入掛起狀態，在掛起狀態設備消耗的總線電能最少。USB協議層控制傳輸使主機和設備之間可以交換設備配置信息和其他控制信息。控制傳輸在低速和全速傳輸運行時占用10%的帶寬，在高速運行時占用20%的帶寬。控制傳輸由設置階段、可選的數據階段和狀態階段組成，下面詳細描述每個階段的包。   標記包。USB中所有事務都是由主機（PC）來完成的。IN表示數據被讀入PC，OUT表示數據由主機送出至設備，如圖6所示。  數據包（可選）。USB主機有兩個數據包DATA0和DATA1。每一個包的

14、容量為1024字節。  狀態包。在諸如應答（ACK）、否定應答（NACK）以及停止（Stall）等事務中，狀態包用來跟蹤USB狀態。  幀起始包（SOF）。每一毫秒，USB主機都將發送一幀SOF，每幀有11位數據。 基于USB的家電網絡在基于USB的家電網絡中，可以以菊花鏈式連接6個USB集線器，為多達127臺家電設備提供接口。所有的集線器能安放在一個集線盒中，集線盒則通過控制電纜連接到設備上。這也可以由帶USB端口、運行Windows OS的單板機進行控制，最終將為家中每個房間配備一個家電控制臺。通過USB自動化，您在與朋友聊天的同時，可以通過PC控制洗衣機的運行時間、衣

15、服類型、清洗劑類型以及水溫等。您也可以為每項任務添加音頻特征，這樣當每項任務完成時，您可以在某個特定的地方（臥室、客廳、游泳池或廚房等）收到音頻提示。此外，烘干機可以通過USB自動接收指令，從洗衣機處裝入衣服，設置烘干時間，然后自動計時烘干，在每項任務成功完成后均有音頻提示。通過USB自動化，您可以在辦公桌上控制咖啡機，不僅僅是煮咖啡，還能檢測咖啡壺中還剩多少咖啡，USB自動化甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。USB還可以使您看到冰箱內部的情況，設置特定的觸發開關來檢測剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據這些信息，當您計劃去商場時，可以從PC中快速匯總食品采購清單。照明自動化是居家的基本

16、需求。通過USB自動化，能夠檢查全屋的照明情況，并通過PC對其進行控制。USB與溫度傳感器配合使用，能夠自動控制房屋某處電風扇和空調的運行。這樣，可以使不同的房間或“區域”保持不同的溫度，以便節能。此外，電風扇和空調可以自動地分擔制冷負荷。而在家庭安保方面，使用USB自動化，可以通過PC控制門鎖、查看門鎖狀態，在臥室就可以關閉或打開房門。此外，USB自動可視門鈴能用于防止入侵者進入房屋。USB自動化也使您能通過PC打開和關閉窗戶及窗簾。家電USB自動化的潛力是無窮的，采用現代技術，USB自動化就是把家電或設備與PC上USB端口連接，如圖7所示。超寬帶USB的優點超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）USB也稱為“無線USB”，它是一種短距離無線通信的推薦標準，有望在不久的將來取代藍牙技術。藍牙是目前短距離無線連接的行業標準，但由于藍牙與Wi-Fi（802.11g標準）使用相同的頻段，因此可能存在干擾問題。另外，UWB使用3.110.6GHz的頻段，它的每個無線電信道均超過500MHz，美國聯邦通信委員會（Federal Communicat